الألومنيوم 2018A: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
تعيين 2018A هو جزء من سلسلة سبائك الألومنيوم 2xxx، التي تتميز أساسًا بالنحاس كعنصر سبيكي رئيسي. هذه السلسلة قابلة للمعالجة الحرارية من خلال تقسية الترسيب وعادةً ما يتم تقويتها عبر معالجة حرارية بالحل يليه تقادم صناعي لتحقيق حالات عالية القوة مثل T6 و T651.
العناصر السبائكية الرئيسية في 2018A هي النحاس (الأساسي)، مع وجود المغنيسيوم والمنغنيز والحديد والسيليكون بنسب أدنى للتحكم في القوة، وبنية الحبيبات، وقابلية التشغيل. يعزز محتوى النحاس تكون ترسيبات تقسية تقوي عالية (أساسًا أشكال Al2Cu) التي توفر مقاومة خضوع وشد عالية مقارنة بالسبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية.
السمات الرئيسية لـ 2018A تشمل قوة ثابتة عالية وقابلية تشغيل جيدة في العديد من الحالات، في حين أن مقاومة التآكل وقابلية اللحام معتدلة إلى ضعيفة مقارنة بسبائك 5xxx و 6xxx. قابلية التشكيل في الحالة المعالجة حرارياً (المطيلة) جيدة، لكنها تنخفض بشكل كبير بعد المعالجة الحرارية؛ تُستخدم السبائك عادةً في الصناعات التي تعطي الأولوية للقوة والثبات البعدي على حساب اللدونة الخام.
الصناعات النموذجية لـ 2018A تشمل الطيران (المركبات الهيكلية، القواعد)، الدفاع، المواد تثبيت عالية القوة، وبعض مكونات السيارات عالية الأداء. يختار المهندسون 2018A عندما يتطلب الأمر قوة نوعية عالية وخصائص ميكانيكية معتمدة من المعالجة الحرارية وعندما يمكن لعمليات التشغيل أو اللحام التكيف مع القيود المعدنية.
أنواع التقسية
| التقسية | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية | ممتازة | ممتازة | مطيل بالكامل، أقصى لدونة للتشكيل |
| H14 | متوسطة | منخفضة إلى متوسطة | مقبولة | ضعيفة | مقسى بالتشويه، زيادة محدودة في القوة |
| T3 | متوسطة-عالية | متوسطة | مقبولة | ضعيفة | معالج حرارياً بالحل ومقعد طبيعياً |
| T4 | متوسطة-عالية | متوسطة | مقبولة | ضعيفة | معالج حرارياً بالحل ومقعد طبيعياً (غير مثبت) |
| T5 | عالية | منخفضة | ضعيفة | ضعيفة | مبرد من درجة حرارة مرتفعة وتم تقعده صناعياً |
| T6 | عالية | منخفضة إلى متوسطة | ضعيفة | ضعيفة | معالج حرارياً بالحل ومقعد صناعياً لتحقيق أقصى قوة |
| T651 | عالية | منخفضة إلى متوسطة | ضعيفة | ضعيفة | T6 مع تخفيف إجهاد عن طريق شد محكم |
للتقسية تأثير رئيسي على حالة الترسيب وكثافة الانزلاقات؛ المعالجة بالحل والتقعد الصناعي (T6/T651) تعظم القوة وتقلل اللدونة. يستخدم التقسية O المطيل حيث الحاجة إلى التشكيل والسحب، بينما تُحدد T5/T6 للقطع النهائية التي تتطلب ثبات أبعاد وخصائص ميكانيكية قصوى.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.10 – 0.50 | مزيل أكسدة / شوائب؛ زيادة السيليكون قد تشكل مركبات بين فلزية صلبة. |
| Fe | 0.20 – 0.70 | شوائب شائعة تؤثر على أطوار حدود الحبيبات والقوة. |
| Mn | 0.30 – 1.20 | يسيطر على إعادة التبلور وبنية الحبيبات؛ يحسن القوة. |
| Mg | 0.20 – 0.80 | مساهمة طفيفة في القوة عبر حل صلب وتكبير الترسيبات. |
| Cu | 3.9 – 5.0 | العنصر الرئيسي للتقسية؛ يشكل ترسيبات Al2Cu أثناء التقادم. |
| Zn | ≤ 0.25 | عنصر ثانوي؛ الإفراط قد يسبب هشاشة في بعض الحالات. |
| Cr | 0.05 – 0.25 | يساعد في التحكم في بنية الحبيبات وتأخير إعادة التبلور. |
| Ti | ≤ 0.15 | محسن بنية الحبيبات عند وجوده بكميات صغيرة. |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05 | عناصر أثرية وبقايا؛ يتم التحكم بها وفقاً للمواصفات. |
يُعد محتوى النحاس العالي نسبيًا العامل المهيمن في استجابة التقسية وتقوية 2018A. يُضاف المنغنيز والكروم لاستقرار بنية الحبيبات وتقييد إعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية. الحديد والسيليكون شوائب يتم التحكم فيها؛ إذا زادت كمياتها، تُكوّن مركبات بين فلزية هشة وتقلل المتانة ومقاومة التآكل.
الخصائص الميكانيكية
تعتمد سلوك مقاومة الشد ومقاومة الخضوع لـ 2018A بشكل قوي على نوع التقسية لأن السبيكة قابلة للمعالجة الحرارية. في الحالة المطيلة، تظهر السبيكة مقاومة شد متوسطة مع استطالة عالية مناسبة لعمليات التشكيل. بعد المعالجة بالحل والتقادم الصناعي (T6/T651)، تزداد مقاومة الشد والخضوع بشكل ملحوظ بسبب الترسيبات الدقيقة لـ Al2Cu، مما يمنح السبيكة قدرة تحميل ثابتة عالية مع تقليل الاستطالة.
تتبع الصلادة نفس الاتجاه؛ تزداد صلادة فيكرز/برينل بشكل كبير بعد تقسية T6 وتتناسب مع قيم مقاومة الخضوع والشد. أداء مقاومة التعب يستفيد من القوة العالية والترسيبات المتجانسة في المواد المعالجة جيداً، ولكن عمر التعب حساس لجودة السطح، والقطع، والمناطق المتأثرة بالحرارة الناتجة عن اللحام. للسماكة تأثير من الدرجة الثانية: الأقسام السميكة تبطئ من سرعة المعالجة بالحل والتبريد، وهذا قد يسبب تدرجات في الخصائص الميكانيكية ما لم تُستخدم دورات معالجة حرارية مفصلة.
| الخاصية | O / مطيل | التقسية الأساسية (T6 / T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | ~180 – 240 MPa | ~430 – 480 MPa | قيم T6/T651 نموذجية لسبائك Al-Cu عالية القوة؛ النطاقات تعتمد على شكل المنتج والمعالجة. |
| مقاومة الخضوع | ~60 – 120 MPa | ~350 – 390 MPa | تزداد مقاومة الخضوع بشكل حاد بعد التقادمة؛ يجب استخدام أدنى القيم المضمونة للتصميم. |
| الاستطالة | ~18 – 30% | ~8 – 15% | تنخفض اللدونة بعد التقادم؛ الاستطالة أقل في الأقسام السميكة وفي حالات التقسية الناتجة عن الترسيب. |
| الصلادة (HB) | ~35 – 60 HB | ~100 – 135 HB | الصلادة والقوة تتناسب معاً؛ الصلادة تُستخدم لتقييم جودة المعالجة الحرارية. |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.78 g/cm³ | نموذجية لسبائك Al-Cu؛ أثقل قليلاً من الألومنيوم النقي. |
| نطاق الانصهار | ~500 – 650 °C | يعتمد على محتوى السبائك؛ يلزم التحكم الدقيق أثناء اللحام اللحيمي أو المعالجة الحرارية. |
| موصلية حرارية | ~120 – 160 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ مع ذلك جيدة لنقل الحرارة مقارنة بالصلب. |
| موصلية كهربائية | ~25 – 35 %IACS | منخفضة نسبياً مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب وجود النحاس والسبائك. |
| السعة الحرارية النوعية | ~880 J/kg·K | نمطية لسبائك الألومنيوم في نطاق درجات الحرارة المعتاد. |
| التوسع الحراري | ~23 – 24 ×10⁻⁶ /K | مشابه لسائر سبائك الألومنيوم؛ يؤخذ بعين الاعتبار في التجميعات مع مواد مختلفة. |
تجعل الخصائص الفيزيائية لـ 2018A هذه السبيكة مفيدة حيث يلزم مزيج من الوزن الخفيف والموصلية الحرارية، رغم أنها لا تصل إلى مستوى سبائك 1xxx في الموصلية الكهربائية أو الحرارية. الكثافة والتوسع الحراري متوقعة وتتيح نمذجة حاسوبية دقيقة حرارياً-ميكانيكياً للنطاقات التشغيلية الشائعة. تؤثر سلوك الانصهار والموصلية الحرارية على استراتيجيات المعالجة الحرارية وضبط التشوه الحراري أثناء التصنيع.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التقسية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3 – 6 mm | متماثلة عند الدرفلة والمعالجة بشكل صحيح | O, T3, T5, T6 | مستخدمة على نطاق واسع للأجزاء المشغولة والمشكلة؛ مطلوب ضبط دقيق للتبريد والتقادم. |
| صفائح | 6 – 50 mm | احتمالية وجود تدرجات خصائص عبر السماكة | O, T6, T651 | الأقسام السميكة تحتاج إلى معالجة حرارية وحمامات تبريد مخصصة لتجنب نوى لينة. |
| بروفيلات مسحوبة | حتى ملفات كبيرة | جيدة كما هي بعد السحب وخاصة بعد التقادم | T5, T6 | سرعة السحب وتصميم القوالب تؤثر على الترسيب وبنية الحبيبات. |
| أنابيب | أقطار مختلفة / سماكة جدران متغيرة | مشابه لسلوك الصفائح والأنابيب | O, T6 | تستخدم حيث يلزم أعضاء أنبوبية خفيفة الوزن وعالية القوة. |
| قضبان/أعمدة | أقطار تصل إلى 200 mm | قابلية تشغيل جيدة وثبات أبعاد عالي | O, T6 | قضبان للتجهيزات، المثبتات، والمكونات المشغولة بدقة. |
مسار المعالجة يؤثر على البنية المجهرية والخصائص النهائية: المنتجات المسحوبة (ألواح، صفائح، بروفيلات) عادة ما تعرض للحل والمعالجة بالتقادم لتحقيق القوة المطلوبة، في حين أن الصفائح السميكة غالباً ما تتطلب أوقات تثبيت ممتدة ووسائط تبريد متخصصة. يجب أن يأخذ اختيار شكل المنتج في الاعتبار نقل الحرارة خلال التبريد، خطر التشوه، وعمليات التشغيل أو التشكيل اللاحقة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2018A | الولايات المتحدة | تسمية شائعة في ASTM/AA لسبائك الألمنيوم-نحاس مع تركيب ودرجات معالجة محددة. |
| EN AW | 2018A | أوروبا | EN AW-2018A هي تسمية مماثلة وفق معايير EN؛ تحقق من الحدود المحددة للعناصر الأثرية ضمن EN. |
| JIS | A2017/A2018* | اليابان | توجد درجات محلية ضمن JIS بتركيبات قريبة ولكن قد تختلف حدود المعالجة والشوائب. |
| GB/T | 2A01 / 2018A* | الصين | تقدم المعايير الصينية سبائك مشابهة؛ تأكد من الضمانات الميكانيكية والدرجات الحرارية مع المورد. |
التسميات المكافئة تقريبية ويجب التعامل معها بحذر: تختلف نطاقات التركيب الاسمي وحدود العناصر الباقية والشوائب المسموح بها حسب المعيار والمصنع. عند استبدال المواد بين المناطق، تحقق من الحدود الكيميائية الدقيقة، وضمانات الخواص الميكانيكية، وتعريفات المعالجة الحرارية (مثلاً T651 مقابل درجات الاستقرار المحلية).
مقاومة التآكل
مقاومة التآكل الجوي لسبائك 2018A متوسطة؛ تقلل المصفوفة الغنية بالنحاس من الحماية الطبيعية مقارنةً بسبائك الألمنيوم-مغنيسيوم. في البيئات الجوية المعتدلة، تؤدي السبائك أداءً مقبولًا مع تطبيق الطلاءات المناسبة، لكن سبائك سلسلة 2xxx العارية أكثر عرضة للتآكل النخري والهجوم بين الحبيبات مقارنة بعديد من سبائك سلسلة 5xxx و6xxx.
في البيئات البحرية أو التي تحتوي على الكلوريدات، تقل مقاومة 2018A مقارنةً بسبائك الألمنيوم-مغنيسيوم؛ التآكل النخري والصدوع المحلية تمثل مخاطر خصوصًا للأجزاء التي تحمل إجهادات شد متبقية. يمكن التخفيف من هجوم الكلوريدات والتقشر باستخدام طلاءات واقية، الأكسدة الأنودية حيثما أمكن، أو استراتيجيات الحماية الكاثودية للهياكل الحرجة.
الحساسية لتشقق التآكل الإجهادي (SCC) مرتفعة للسبائك العالية القوة من نوع Al-Cu تحت إجهاد شد مستمر وبيئات عدوانية. يجب على المصممين تجنب التراكمات بين إجهاد شد عالي مضاف أو متبقي، الدرجات الحساسة، والتعرض للكلوريد. في أزواج التوصيل الجلفاني، تكون 2018A أكثر نبلا من الألمنيوم النقي لكنها أقل نبلا من الفولاذ المقاوم للصدأ؛ يتطلب التوصيل الجلفاني مع المعادن الكاثودية عزلًا أو فصلًا تصميميًا لمنع تسريع التآكل.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
اللحام في 2018A صعب لأن السبيكة تفقد قوتها في منطقة التأثير الحراري وتكون معرضة للتشقق الحراري بسبب مكونات النحاس العالية عند درجات الحرارة المرتفعة. يؤدي لحام الدمج باستخدام TIG/MIG غالبًا إلى تليين كبير في منطقة التأثير الحراري، وينصح بتجنبه للأجزاء ذات الأحمال العالية ما لم يتبع بمعالجة حرارية موضعية بعد اللحام وتأهيل صارم للإجراءات. نادراً ما تُستخدم أقطاب اللحام القائمة على Al-Cu؛ في الممارسة العملية تفضل وصلات البرشمة أو البراغي أو اللصق للوصلات الهيكلية.
قابلية التشغيل
تُعتبر 2018A من السبائك عالية القوة سهلة التشغيل نسبيًا لأنها تُشغل بنظافة مع تكوين رقائق متوقعة وتآكل منخفض للأدوات مقارنة ببعض السبائك الأصعب. يُنصح باستخدام أدوات قطع مغطاة من الكربيد أو فولاذ سريع السخونة بزاوية سبيكة إيجابية، مع معدلات تغذية محكومة لتجنب التراكم الحدي. يتمتع التشطيب السطحي ودقة الأبعاد بأداء ممتازين عند التشغيل من قضبان T6 أو T651 بسبب استقرار تركيب الترسيبات.
قابلية التشكيل
يفضل التشكيل في حالة التلدين O حيث يتمتع السبائك بتمدد ومرونة أعلى بكثير. يكون الثني البارد في درجات T6 أو ما يشابهها محدودًا ويتطلب أنصاف أقطار أكبر مع احتساب ارتداد الربيع؛ يمكن استخدام التشكيل الدافئ أو التلدين المسبق متبوعًا بإعادة معالجة حرارية لتحقيق أشكال معقدة. ينبغي على المصممين تحديد درجات التشكيل مبكرًا لضمان توافق المعالجة الحرارية والتشغيل لاحقًا.
سلوك المعالجة الحرارية
2018A هي سبيكة ألمنيوم قابلة للمعالجة الحرارية الكلاسيكية (تمدد بالشيخوخة) وتستجيب لدورات المعالجة القياسية Al-Cu للتميع والشيخوخة. يعالج الحل النموذجي عند درجة حرارة مرتفعة إذ يذيب المراحل الحاملة للنحاس لإنتاج محلول صلب مشبع زيادة؛ المدى الشائع للمعالجة عند الحل هو تقريبًا 495–525 °C لمدة تعتمد على سمك المقطع. فور انتهاء المعالجة الحرارية للحل، يجب التبريد السريع للاحتفاظ بالحالة فوق المشبعة كأساس للترسيب اللاحق.
تتم عملية الشيخوخة الصناعية (نوع T6) عند درجات حرارة معتدلة (عادة في النطاق 150–190 °C) لفترات تمتد من عدة إلى عشرات الساعات حسب الموازنة المطلوبة بين القوة القصوى والمطيلية. يؤدي الشيخوخة الزائدة إلى خفض القوة لكنه قد يحسّن المقاومة لتشقق التآكل الإجهادي والليونة. T651 يشير إلى درجة T6 مع عملية تمليس/تمديد تقلل الإجهادات المتبقية وتحسن الاستقرار الأبعادي.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
لا يُقصد استخدام 2018A في خدمات درجات الحرارة المرتفعة المستمرة؛ فدرجات الحرارة المرتفعة تسرّع من تعتيق وترسيب المراحل، مما يؤدي إلى فقدان سريع للقوة. درجات الحرارة العملية المستمرة عادة ما تُحَد أدنى ~120–150 °C للتطبيقات الحاملة للأحمال؛ أعلى من ذلك يحدث تدهور ملحوظ في الخواص بمرور الوقت.
الأكسدة عند درجات الحرارة العالية قليلة نسبياً مقارنة بالسبائك الحديدية بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية، لكن الأداء الميكانيكي ومقاومة الزحف ضعيفة عند درجات الحرارة العليا مقارنة بالسبائك المخصصة لذلك. مناطق التأثير الحراري من اللحام أو التسخين المحلي قد تعاني من فقدان قوة غير متناسب ويجب مراعاتها في التصميم وخطط التفتيش.
التطبيقات
| الصناعة | مكون نموذجي | سبب استخدام 2018A |
|---|---|---|
| الفضاء الجوي | وصلات، حوامل، وصلات معدات الهبوط (غير حرجة) | قوة عالية إلى وزن منخفض وخواص معروفة بعد المعالجة الحرارية |
| البحرية | عناصر هيكلية، مكونات مشغولة | مزيج جيد من القوة وسهولة التشغيل مع الحماية بطبقات طلاء |
| الدفاع | مكونات دروع، قواعد أسلحة، وصلات عالية القوة | قوة ثابتة عالية وقابلية تشغيل جيدة لأجزاء دقيقة |
| الصناعة السيارات | حوامل ومثبتات مشغولة عالية القوة | تحقيق تقليل الوزن مع قدرة تحمل حمل ثابت عالية |
| الإلكترونيات | أجزاء هيكلية لتوزيع الحرارة | موصلية حرارية معقولة مع صلابة عالية |
يُختار 2018A عندما تكون الأولوية التصميمية هي القوة الثابتة العالية، الاستقرار الأبعادي الضيق، وسهولة التشغيل. التنازلات—انخفاض قابلية اللحام ومقاومة التآكل مقابل قوة عالية—تجعله مثاليًا للمكونات المشدودة بالبراغي أو المثقوبة أو المشغولة في التجميعات الهيكلية المتطلبة.
نصائح اختيار
تتنازل 2018A عن الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل مقابل مكاسب كبيرة في القوة مقارنةً بالألمنيوم التجاري النقي (1100). استخدم 2018A عندما تكون القوة وقابلية التشغيل ضرورية وعندما يمكن إدارة خطر التآكل بواسطة الطلاءات الواقية أو العزل.
مقارنةً بسبائك المعالجة بالعمل مثل 3003 أو 5052، توفر 2018A قوة خضوع وشد أعلى بكثير بعد المعالجة الحرارية لكنها أقل مقاومة للتآكل وأضعف في اللحام. اختر 2018A للتجميعات عالية القوة المشغولة أو المثبتة حيث لا تكون التشكيل والمقاومة الشديدة للتآكل من المتطلبات الأساسية.
مقارنة بسبائك المعالجة حراريًا الشائعة مثل 6061 أو 6063، تقدم 2018A عادة قوة قصوى أعلى للتطبيقات الثابتة لكنها قد تكون أكثر عرضة لتشقق التآكل الإجهادي ولها أقل قابلية للحام. اختر 2018A عندما تبرر قوة الشد والأداء في التشغيل الإضافي الحماية السطحية والاعتبارات الإنشائية.
ملخص ختامي
تظل 2018A سبيكة ألمنيوم عالية القوة مناسبة للتطبيقات الهندسية التي تركز على القوة المتزايدة بالشيخوخة، سهولة التشغيل الممتازة، والاستقرار الأبعادي على حساب قابلية اللحام ومقاومة التآكل في البيئات العارية. مع تحديد دقيق للدرجة، المعالجة الحرارية، والتدابير الوقائية، تقدم 2018A توازنًا قويًا للأداء في مجالات الطيران، الدفاع، والمكونات الصناعية عالية القوة.